秦 沖，王瑜嘉，惠曉強

（航空工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

航空風擋雨刷系統(tǒng)是飛機的重要控制系統(tǒng)之一，在傳統(tǒng)的航空風擋雨刷控制系統(tǒng)設計中，多采用分立元器件、延遲繼電器及機械開關實現(xiàn)風擋雨刷系統(tǒng)控制功能，使用該方法設計時，機上線路鋪設麻煩，且延遲繼電器尺寸大，壽命短，使得風擋雨刷系統(tǒng)后期維修更換成本高。本文針對傳統(tǒng)風擋雨刷的缺點，提出了一種基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)設計方法，該設計方法具有集成度高、壽命長、線路鋪設簡單等優(yōu)點。

1 風擋雨刷系統(tǒng)設計

基于SOC片上系統(tǒng)的航空風擋雨刷系統(tǒng)由左控制盒、右控制盒、系統(tǒng)控制模塊、雨刷電機、沖洗泵組成，其中，控制模塊單元采用嵌入ARM處理器內(nèi)核的SOC片上系統(tǒng)芯片作為主控制單元，實現(xiàn)采集信息的解算及輸出控制功能。系統(tǒng)設置主控制盒和副控制盒，分別位于飛機駕駛艙內(nèi)主駕駛位和副駕駛位，用于共同控制風擋雨刷系統(tǒng)的雨刷電機和沖洗泵工作。系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊同時采集主/副控制盒的控制狀態(tài)信息，并對采集的狀態(tài)信息進行有效性判斷。當主/副控制盒狀態(tài)信息不一致時，則以主控制盒的狀態(tài)信息進行風擋雨刷系統(tǒng)控制工作。根據(jù)控制需求，該系統(tǒng)可實現(xiàn)雨天的雨刷電機高速、低速運行的雨刮控制工作，也可以實現(xiàn)非雨天時的沖洗泵與雨刷電機協(xié)同工作完成風擋玻璃沖洗工作。風擋雨刷系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1 風擋雨刷系統(tǒng)結構框圖

2 硬件設計

根據(jù)風擋雨刷系統(tǒng)總體設計，系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊包括SOC處理器最小系統(tǒng)單元、狀態(tài)采集控制單元、雨刷電機驅(qū)動單元、沖洗泵驅(qū)動單元和供電單元組成，其結構框圖如圖2所示。

2.1 SOC處理器最小系統(tǒng)單元

圖2 系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊框圖

SOC處理器最小系統(tǒng)單元是風擋雨刷控制系統(tǒng)的核心單元，主要完成風擋雨刷系統(tǒng)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集、控制解算及輸出驅(qū)動控制功能。該處理器最小系統(tǒng)單元以集成ARM處理器內(nèi)核的SOC片上系統(tǒng)芯片為核心芯片，外圍電路配置如下：一是配置數(shù)據(jù)存儲器電路：設計采用2片16位128MB存儲容量的DDR3 SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲器，實現(xiàn)32位存儲器訪問操作，SOC芯片自帶有1.5V的32位DDR接口，可與2片DDR3芯片直接相連；二是配置程序存儲器電路：設計采用1片128Mbit的FLASH芯片作為程序存儲器，該程序存儲器芯片具有QSPI總線接口，與SOC芯片自帶的QSPI接口直接相連，實現(xiàn)應用程序的存儲和訪問；三是配置處理器供電電路：設計采用2片Linear公司的DC/DC芯片，實現(xiàn)內(nèi)部5V電壓到1.0V、1.5V、1.8V、3.3V電壓的二次電源轉(zhuǎn)換功能，為處理器最小系統(tǒng)單元提供電源供電；四是配置調(diào)試接口電路：采用標準RS232串行接口芯片，配備DB9串行接口母頭，實現(xiàn)處理器調(diào)試接口電路；五是配置DDR3供電調(diào)理電路：采用DDR專用的終端調(diào)理電壓芯片，實現(xiàn)1.5V到0.75V參考電壓的轉(zhuǎn)換功能，為DDR3提供參考調(diào)理電壓，保證DDR3芯片的正常運行。

2.2 狀態(tài)采集檢測單元

狀態(tài)采集檢測單元用于采集主、副控制盒的高速、低速、沖洗按鈕的狀態(tài)信息，并將采集到的狀態(tài)信息傳輸給SOC處理器最小系統(tǒng)單元進行解算。狀態(tài)采集檢測單元電路設計中，在狀態(tài)采集輸入端采用RC濾波電路對采集信號進行濾波防抖處理，以防止因控制盒抖動及其他干擾帶來的誤操作；通過RC濾波電路后的狀態(tài)信息，采用自帶三級雷電防護的離散量采集芯片，實現(xiàn)離散量信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程，并將采集結果存儲在該芯片內(nèi)部寄存器中；SOC處理器最小系統(tǒng)單元通過SPI總線接口，周期性對離散量采集芯片進行訪問控制，讀取內(nèi)部寄存器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

2.3 電機驅(qū)動單元

電機驅(qū)動單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅(qū)動控制雨刷電機的工作狀態(tài)。電機驅(qū)動單元電路設計中，采用光電耦合器芯片進行隔離設計，實現(xiàn)低電壓控制信號到高電壓控制信號的電隔離，保護驅(qū)動控制單元；采用高端驅(qū)動器芯片實現(xiàn)功率型輸出，通過控制高端驅(qū)動器的導通狀態(tài)，輸出28V PWM脈寬調(diào)制波形，從而控制雨刷電機的高速、低速工作狀態(tài)。同時該電路提供一路復位控制輸出，用于控制雨刷電機的復位功能。

2.4 沖洗泵驅(qū)動單元

沖洗泵驅(qū)動單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅(qū)動控制沖洗泵的工作狀態(tài)。沖洗泵驅(qū)動單元電路設計中，同樣采用光電耦合器進行隔離設計，通過控制高端驅(qū)動器的功率輸出給沖洗泵供電，從而控制沖洗泵的工作，實現(xiàn)沖洗出水功能。

2.5 供電單元

供電單元用于完成機上輸入電壓到內(nèi)部二次電源電壓的隔離轉(zhuǎn)換功能，同時向雨刷電機提供工作電壓供電。供電單元具備輸入電壓的過壓和浪涌保護功能，同時具備對二次電源輸出的過流保護功能。

3 軟件設計

風擋雨刷系統(tǒng)可以具有兩種工作模式，一種是下雨天的雨刮器持續(xù)工作模式，一種是非下雨天的沖洗工作模式。其系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)上電后，首先完成對控制模塊內(nèi)各個單元的初始化操作過程，輸出狀態(tài)處于默認安全狀態(tài)，然后系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。狀態(tài)采集檢測單元周期性采集主/副控制盒開關按鈕狀態(tài)信息，SOC處理器最小系統(tǒng)周期性讀取采集的狀態(tài)信息，判斷其狀態(tài)是否有效，并進入相應的工作狀態(tài)，具體工作控制過程如下：

沖洗工作過程：當沖洗狀態(tài)有效時，則系統(tǒng)首先控制沖洗泵驅(qū)動單元輸出有效，控制沖洗泵工作出水10s時間；然后控制雨刷電機驅(qū)動輸出有效，控制雨刷電機工作30s時間；最后輸出復位信號有效，控制雨刷電機進行復位操作，從而完成風擋雨刷系統(tǒng)的沖洗工作過程。

雨刮工作過程：當雨刷高速/低速狀態(tài)有效時，則系統(tǒng)控制雨刷電機驅(qū)動PWM脈寬調(diào)制（高速和低速通過PWM輸出脈寬的不同占空比進行區(qū)分處理）輸出持續(xù)有效，直到系統(tǒng)檢測到高速/低速狀態(tài)無效時，控制關閉雨刷電機驅(qū)動輸出，同時輸出復位信號有效，控制雨刷電機進行復位操作，從而完成風擋雨刷系統(tǒng)的雨刮工作過程。

4 結束語

通過在試驗室進行風擋雨刷控制系統(tǒng)實物聯(lián)試驗證，該基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)工作正常，控制功能有效，可以實現(xiàn)飛機風擋雨刷控制功能。本文提出一種基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)，采用集成處理器和邏輯運行功能，通過PWM脈寬調(diào)制技術實現(xiàn)雨刷電機的高、低速調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)通過集成控制設計，簡化了機上布線復雜度，提高了雨刷電機控制精度，可以滿足航空領域中的使用要求。